護(hù)拱法處理隧道塌方施工技術(shù)

郭楓，方存星

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430000）

1 引言

山區(qū)高速公路建設(shè)中，選線、定線受地形因素限制，常設(shè)置橋梁、隧道跨越復(fù)雜地形地貌單元，以更好地保護(hù)原有生態(tài)環(huán)境、減少基本農(nóng)田占用。在隧道開挖掘進(jìn)過程中，打破了山體原有的平衡狀態(tài)，拱頂破碎巖體會(huì)在突然失去下部支撐反力、基巖裂隙水及開挖擾動(dòng)的作用下，沿破碎面整體向下滑移，從而形成隧道局部塌方空腔。本文以湖南省靖黎高速公路界牌隧道為研究對(duì)象，對(duì)隧道洞頂塌方空腔形成原因、處理方案及護(hù)拱法的關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行闡述。

2 工程概況

界牌隧道位于湖南西南部懷化市靖州縣，為穿越湖南與貴州的省界隧道，是連通兩省經(jīng)濟(jì)、文化的又一交通干線。為雙向分離式長(zhǎng)隧道，按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度100 km/h。隧道左、右洞設(shè)計(jì)線凈距總體控制在55～85 m，左洞起訖樁號(hào)為Z2K55+755～Z2K56+920.704，長(zhǎng)1 165.704 7 m，最大埋深164 m，隧道右洞起訖樁號(hào)為K56+025～K56+967.471，長(zhǎng)942.471 m，最大埋深112 m。隧道主洞襯砌端面內(nèi)輪廓采用單心圓拱曲邊墻結(jié)構(gòu)，隧道內(nèi)輪廓拱頂凈高7.36 m，凈寬11.62 m，隧道左右線最大超高4%，超高在-3%～+3%之外采用整體旋轉(zhuǎn)隧道內(nèi)輪廓，隧道路面設(shè)置2%的單面橫坡。

3 地質(zhì)、水文條件

3.1 地質(zhì)條件

隧道位于低山丘陵地質(zhì)區(qū)，地形起伏變化較大，地層巖性較為單一，但風(fēng)化程度變化較大，工程地質(zhì)分區(qū)大致分為剝蝕地貌地質(zhì)區(qū)、沖洪積沖溝地貌地質(zhì)區(qū)[1]。地層主要為震旦系（Z）板巖組成，山坡表層覆蓋薄層全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土或碎石土，沖溝淺部分布全新統(tǒng)沖洪積卵石層。圍巖主要為較破碎～較完整中風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖上帶及強(qiáng)風(fēng)化板巖下帶，圍巖屬于Ⅳ～Ⅴ級(jí)。區(qū)內(nèi)與地震關(guān)系密切的斷裂帶描述為F4 斷層，該斷裂在隧址區(qū)北側(cè)通過，產(chǎn)狀350°～360°、∠70°～∠75°，為逆斷層，影響寬度約30～60 m，局部揭露斷層泥，次級(jí)斷裂發(fā)育，為非全新世活動(dòng)斷裂。

3.2 水文條件

項(xiàng)目所在地屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，季風(fēng)氣候顯著，四季分明，降水充沛，年平均氣溫16.8℃，平均降雨量1 146.30～1 661.40 mm。由于南季風(fēng)的不穩(wěn)定性，降水多發(fā)生在6～8 月，降水集中且強(qiáng)度大，伴有明顯的季節(jié)性。地表水主要為溝中雨季面流、洪流以及常年伴有水流的四鄉(xiāng)河；第四系強(qiáng)透水性堆積物孔隙潛水、基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水組成本項(xiàng)目區(qū)存在的地下水。

4 塌方情況概述及成因分析

界牌隧道為湖南省靖黎高速公路全線最長(zhǎng)隧道，隧道掘進(jìn)采用從大樁號(hào)黎平端往小樁號(hào)靖州端單向掘進(jìn)，掌子面進(jìn)尺至K55+993 時(shí)，K55+994～K55+996 段發(fā)生局部坍塌，在洞頂左上方臨空面處形成一寬約1～3 m，向上延伸約10 m 的空洞[2]。

隧道掘進(jìn)至K55+996 時(shí)，洞身段呈現(xiàn)為中風(fēng)化板巖，灰色、砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、厚層狀構(gòu)造、巖質(zhì)硬、巖體完整性較好，節(jié)理較發(fā)育，局部見弱滲水[3]。K55+996～K55+994 段（約2 m），見礦硅質(zhì)巖巖脈充填現(xiàn)象、巖脈見弱礦化現(xiàn)象，節(jié)理較發(fā)育，巖脈完整性一般～較差，在臨空狀態(tài)下會(huì)發(fā)生掉塊掉渣，局部見0.1～0.5 m 裂隙，往深部裂隙局部拓寬至1～2 m，裂隙底部見多處小股涌水，涌水量0.05～0.1 m3/s，受大氣降水補(bǔ)給，季節(jié)變化明顯，礦脈兩側(cè)見灰白色斷層泥及斷層角礫巖，角礫呈棱角～次棱角狀。

K55+994～K55+993 掌子面段受斷層影響，形成擠壓破碎的板巖碎塊，呈強(qiáng)風(fēng)化～ 全風(fēng)化狀，褐黃色，局部呈大塊石狀，破碎帶固結(jié)程度弱，局部呈松散狀，在隧道掘進(jìn)過程中，拱頂圍巖受到強(qiáng)烈擾動(dòng)，突然卸載形成拱頂臨空面，掌子面段本身圍巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，且受到基巖裂隙水的沖刷滲透軟化，多種因素共同作用下，隧道拱頂發(fā)生局部塌方。

5 塌方治理

隧道塌方段落處于地質(zhì)不良區(qū)，巖體破碎風(fēng)化程度大，隧道因依靠自身圍巖應(yīng)力無法自然成拱而發(fā)生坍塌，隧道塌方處治以保證人員、機(jī)械施工安全為前提，以施工質(zhì)量有保證為基礎(chǔ)，選取護(hù)拱法進(jìn)行處理，采取強(qiáng)支護(hù)、快速成型的手段通過塌方段不良地質(zhì)區(qū)，確保隧道結(jié)構(gòu)整體安全、穩(wěn)定。

5.1 塌方影響段加固處理

受隧道塌方的影響，塌方段附近樁號(hào)段落的掌子面、圍巖以及初支結(jié)構(gòu)造成不同程度的損壞，為防止塌方進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大，對(duì)塌方前后影響段進(jìn)行加固處理[4]。

1）隧道開挖斷面上臺(tái)階采用隧道洞渣回填，回填斷面超出坍塌影響段范圍，使掌子面后移。

2）采用C30 噴射混凝土對(duì)隧道洞渣回填完成后形成的掌子面進(jìn)行封閉，然后在噴射混凝土面上平行于隧道中線方向打設(shè)φ42 mm×4 mm×4 000 mm 的注漿小導(dǎo)管。

3）采用水泥凈漿對(duì)回填石渣堆進(jìn)行注漿加固，注漿過程中持續(xù)增大注漿壓力，最終注漿壓力保持在2.5～3.0 MPa，穩(wěn)壓3 min，使臨時(shí)掌子面具有足夠的強(qiáng)度，對(duì)隧道拱頂形成臨時(shí)支撐。

5.2 護(hù)拱施工

1）在距離塌方空腔位置5 m 外施作一護(hù)拱[5]，護(hù)拱根部設(shè)置在隧道斷面起拱線以上，縱向長(zhǎng)度2 m，護(hù)拱頂面距隧道開挖初支面35 cm，采用C30 混凝土一次性澆筑完成。

2）護(hù)拱內(nèi)設(shè)置工22a 鋼拱架，鋼拱架間距50 cm，鋼拱架間通過φ22 mm 鋼筋連接，連接鋼筋環(huán)向間距100 cm，鋼架的拱腳位置安裝6 m 長(zhǎng)的φ42 mm×4 mm 鎖腳錨桿，同時(shí)在護(hù)拱混凝土內(nèi)設(shè)置2 層網(wǎng)眼間距為10 cm×10 cm 的φ8 mm 帶肋鋼筋網(wǎng)片。護(hù)拱混凝土澆筑前，按既定角度埋設(shè)PVC 管，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，沿預(yù)埋管道安裝長(zhǎng)度30 m 的φ108 mm×6 mm 長(zhǎng)管棚，長(zhǎng)管棚為有孔鋼花管跟無孔鋼花管交替布置。管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，鋼筋籠主筋4φ18 mm，采用φ38 mm 鋼環(huán)（壁厚3 mm）做固定環(huán)，固定節(jié)長(zhǎng)5 m，與鋼筋籠主筋焊接。

3）搭設(shè)滿堂式支架，對(duì)護(hù)拱的混凝土、模板進(jìn)行支撐，鋼管支架底部支立于混凝土墊層上，按照支架搭設(shè)規(guī)定安裝掃地桿及剪刀撐，保證支架穩(wěn)固、牢靠?；炷翝仓瓿珊?，養(yǎng)護(hù)護(hù)拱混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%以上，逐步對(duì)稱拆除支架及模板，同時(shí)對(duì)護(hù)拱的沉降收斂進(jìn)行變形觀測(cè)。

4）長(zhǎng)管棚以穩(wěn)定護(hù)拱支護(hù)段為支撐點(diǎn)，平行隧道軸線向斜上方以1°外插角打設(shè)，施工中嚴(yán)格控制鉆機(jī)下沉量及左右偏移量。長(zhǎng)管棚穿透破碎帶及隧道塌方空腔位置，深入穩(wěn)定的支護(hù)段2～3 m，將破碎區(qū)巖體懸挑，使其與前方穩(wěn)定段圍巖形成整體受力。

5.3 塌方影響段隧道掘進(jìn)及支護(hù)

1）待護(hù)拱整體固結(jié)穩(wěn)定后，采用三臺(tái)階法組織隧道掘進(jìn)施工，重新挖除掌子面回填注漿部分堆土，同時(shí)縮短隧道單個(gè)循環(huán)作業(yè)進(jìn)尺距離，每次僅允許開挖間距為一榀鋼拱架，及時(shí)開挖并完成支護(hù)，再開展下個(gè)作業(yè)循環(huán)。同時(shí)，考慮到該段圍巖滲水較為嚴(yán)重，分別在隧道拱頂、拱腰位置打設(shè)3 根長(zhǎng)度為30 m 的探水管，引流匯流排水，減小圍巖裂隙水的浸泡、軟化、侵蝕作用。

2）施工時(shí)，加強(qiáng)隧道塌方影響段的支護(hù)結(jié)構(gòu)，將鋼拱架間距縮減為50 cm，初支鋼架調(diào)整為全環(huán)設(shè)置Ⅰ22a 工字鋼，噴射混凝土厚度調(diào)整為26 cm，系統(tǒng)錨桿調(diào)整為長(zhǎng)度4 000 mm、縱向間距5 00 mm、環(huán)向間距1 000 mm 的φ42 mm×4 mm 注漿小導(dǎo)管；二襯調(diào)整為厚度60 cm 的鋼筋混凝土；支護(hù)加強(qiáng)段延伸至通過圍巖破碎區(qū)10 m 以外。

3）隧道開挖及初期支護(hù)施工工藝按原有施工方案進(jìn)行，施工過程中加強(qiáng)了監(jiān)控量測(cè)頻率，即在拱頂及拱腰兩處加設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，及時(shí)檢測(cè)隧道斷面沉降、收斂變形的數(shù)據(jù)情況，初支施工至塌方空腔位置時(shí)，拱頂位置預(yù)埋直徑20 cm 鋼管，埋入空腔的鋼管長(zhǎng)度滿足后續(xù)空腔回填施工的要求。

5.4 塌方空腔回填

塌方段形成的空腔通過預(yù)埋管向空腔內(nèi)注入C30 混凝土回填處理，為防止一次性回填方量較大，混凝土未凝固受力，其自重對(duì)初支結(jié)構(gòu)形成較大荷載，引起初支變形開裂，在本隧道空腔處理中，混凝土回填分3 次進(jìn)行，依據(jù)混凝土的試拌情況控制澆筑速度，待上一次回填混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%，且與巖壁結(jié)合整體受力后，再開始下一次回填，直至回填混凝土充滿整個(gè)空腔，回填全部完成后，截除預(yù)埋鋼管并封堵混凝土灌注口。

5.5 施工關(guān)鍵技術(shù)控制要點(diǎn)

1）掌子面注漿加固：采用提前加工好的注漿小導(dǎo)管打設(shè)至掌子面，小導(dǎo)管四周鉆孔，鉆孔按梅花形布置，相鄰2 排小導(dǎo)管以5°～12°的外插角交叉錯(cuò)綜布置，待注漿小導(dǎo)管全部安裝完成，采用水泥凈漿注充，水泥漿液采用P·O 42.5 水泥，注漿由下往上依次進(jìn)行，注漿過程中持續(xù)增大注漿壓力，最終注漿壓力保持在2.5～3.0 MPa，穩(wěn)壓3 min，然后進(jìn)行下一根注漿小導(dǎo)管施工，重復(fù)以上工藝流程，最終完成整個(gè)掌子面區(qū)域的注漿加固，使其整體板結(jié)而具有更高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[6]。

2）掌子面進(jìn)尺：嚴(yán)格控制隧道單個(gè)循環(huán)進(jìn)尺距離，保持在一榀鋼架，禁止使用爆破開挖，采用炮機(jī)、風(fēng)鎬配合人工的方式，盡量減少掘進(jìn)過程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)嚴(yán)格控制超挖，開挖完成后，及時(shí)架設(shè)鋼拱架、安裝鋼筋網(wǎng)等，完成初期支護(hù)，迅速閉合成環(huán)，整體均勻受力。在初支穩(wěn)定變形的前提下加快仰拱及二襯施工進(jìn)度，進(jìn)一步減小仰拱、二襯安全步距，現(xiàn)場(chǎng)施工分別控制在30 m、60 m 范圍內(nèi)，擴(kuò)大隧道襯砌完成段安全輻射范圍。

3）長(zhǎng)管棚制安：長(zhǎng)管棚采用φ108 mm×6 mm 鋼管，分節(jié)段預(yù)制安裝。施工時(shí)，先用潛孔鉆鉆孔，鉆至設(shè)計(jì)深度后，安裝長(zhǎng)管棚，鋼管前后段大小孔徑設(shè)置，相鄰兩鋼管套管連接，套管位置錯(cuò)開2 m 的同時(shí)確保連接牢固，體系整體受力，將整個(gè)塌方影響段懸挑，使隧道掘進(jìn)過程中安全、順利通過塌方影響段。

4）監(jiān)控量測(cè)：為及時(shí)、準(zhǔn)確掌握隧道塌方段處理效果，保證施工安全，施工中對(duì)隧道全過程監(jiān)控測(cè)量，實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)信息，加大監(jiān)控量測(cè)工作力度，增設(shè)監(jiān)控點(diǎn)、縮短檢測(cè)周期。施工時(shí)，在隧道拱頂、拱腰、拱腳等位置設(shè)置一圈測(cè)點(diǎn)（不小于5 個(gè)），每3 m 為一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，觀察隧道掘進(jìn)施工過程中圍巖的沉降、變形、收斂等情況，同時(shí)對(duì)護(hù)拱設(shè)置監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)反饋支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀況，指導(dǎo)隧道塌方段處理工作安全、合理的開展。

6 結(jié)語

界牌隧道塌方段采用護(hù)拱法處理效果良好，護(hù)拱施工完成后，塌方段施工推進(jìn)順利，結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，隧道掘進(jìn)過程中，隧道周邊圍巖沉降、收斂變形小，均處于可控范圍之內(nèi)，施工安全質(zhì)量得到保障，該處理工藝在界牌隧道塌方處理中的應(yīng)用取得成功，可總結(jié)以下經(jīng)驗(yàn)。

1）采用護(hù)拱法處理隧道局部塌方，是目前較常見的隧道塌方處理辦法，在現(xiàn)場(chǎng)施工中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，施工工藝技術(shù)成熟，施工安全質(zhì)量更加有保障。

2）護(hù)拱法處理隧道塌方，護(hù)拱施工成型速度快，待護(hù)拱達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度，即可重新開展隧道掘進(jìn)施工，隧道垮塌處理周期短，對(duì)隧道施工的整體工期影響較小。

3）護(hù)拱施工所需材料、設(shè)備在隧道主體結(jié)構(gòu)施工中均有涉及，可就地取材，無須重新準(zhǔn)備材料和設(shè)備，節(jié)省了材料轉(zhuǎn)運(yùn)的時(shí)間，側(cè)面縮短了塌方段處理周期，經(jīng)濟(jì)效益明顯。